CN104679000B - 一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置及测试方法，适用于在室内环境模拟移动机器人工作环境中的运动目标物或者静止目标物，测试移动机器人的视觉感知能力和目标检测感知能力等。该测试装置包括：三组伺服运动平台，标准交通标志，常用标准物体模型，以人偶为例。移动机器人静止于室内测试场景中，将不同的交通标志或人偶模型固定在伺服控制的运动平台上，运动平台模拟移动机器人工作环境中的目标物，在不同的位置或者运动速度下，对于视觉感知从错检率，漏检率，识别率，处理速度进行打分，加权后来评价其感知能力。对于目标检测，从得到目标的大小，形状，速度，位置来进行打分评价。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置及测试方法。
背景技术
移动机器人在自然灾害和核泄漏救援、极地和外星探险、军事侦察和作战、工业制造和物流自动化、民用车辆智能化、助老助残等方面具有广阔的应用前景，可以代替人类从事各种危险、繁重、枯燥的工作。随着应用环境的逐步复杂化，人们对移动机器人的自主能力提出了更高的要求，期望机器人具有环境自适应视觉信息获取与多信息融合能力，具有大范围自主导航、同步定位与动态地图创建能力，具有复杂环境中的实时路径规划和行为决策能力。然而，目前世界各国主要还是在一些单元技术方面取得了进展，具有较强自主能力的移动机器人整体技术尚有较大差距。
因此，提高机器人的自主能力是一项十分紧迫的任务，也是国际机器人技术研究最为前沿的挑战。移动机器人的能力主要包括运动、操作、感知、决策等四个方面的能力，其中运动、操作能力与机器人的执行机构关系密切，已经在各种遥控操作机器人和结构环境下的工业机器人中进行了深入的研究，目前比较成熟。机器人的自主能力主要取决于感知与决策技术，对于移动机器人来说在非结构环境下的感知与决策能力尤为重要。而感知是实现智能决策的前提，因此国内外学者在移动机器人感知能力方面开展了大量的研究，发展了许许多多的理论方法与技术，然而如何评价各种方法和技术的优劣是一个没有解决的问题，往往是在自己设定的一个特定环境下证明自己的方法和技术比别人的更优。其结果是，虽然发展了很多提高机器人感知能力的方法和技术，但是机器人的自主能力并没有得到很大的提高，因此移动机器人感知能力测试方法是提升机器人自主能力的关键技术。
目前各国的机器人研究机构对机器人感知能力测试方法都不同，测试标准不统一。在对机器人感知能力进行测试，均需要其他子系统配合测试，如运动状态下测试机器人的感知能力会受到机器人运动系统和控制系统精度和稳定性的干扰，降低了感知能力测试结果的准确性，不能科学有效地评判机器人感知能力子系统的能力和水平，提高感知能力的难度，使得机器人技术研发难度加大，导致社会资源的巨大浪费。
本发明的移动机器人目标物感知能力测试装置和测试方法能够填补目前我国机器人技术领域对机器人感知能力测试的空白。将移动机器人静止固定在测试场景中，排除机器人的运动系统、通信系统等其他干扰因素对移动机器人感知能力的影响，单独测试移动机器人的感知能力，能够科学并真实地反应移动机器人的实际感知能力水平和缺陷，帮助科研人员快速判断技术缺陷，缩短研发周期，降低研发成本，快速提高机器人的自主能力。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置及测试方法，模拟移动机器人工作环境中的关键目标物，在不同的运动状态或者位置状态下检测这些关键目标物即可评判移动机器人的感知能力水平。
本发明采用的技术方案为：一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置，可用于对不同移动机器人的目标物感知能力进行测试，测试装置由三组伺服运动平台、标准交通标志、标准模型组成，可以模拟机器人在工作环境中传感器感知到的目标物和交通标志；
所述伺服运动平台由以下部件组成，交通标志与标准模型固定平台、运动平台、导轨枕木、导轨、轴承座、驱动滑轮、驱动轴、联轴器、电机底座、伺服电机、电机机架、减速器、限位装置、缓冲橡胶、交通标志物固定底座、钢丝绳固定器、钢丝绳预紧器、钢丝绳、从动滑轮、从动滑轮底座、滑动轴承组成；
伺服运动平台由伺服电机驱动，伺服电机设置在电机机架上，电机机架与地面固定，伺服电机输出轴与减速器输入端轴连接，减速器输出轴通过联轴器与驱动滑轮的驱动轴连接，联轴器采用柔性联轴器，驱动轴固定在与轴承座上，轴承座与地面固定，当伺服电机转动时驱动减速器，减速器驱动联轴器与驱动滑轮，钢丝绳绕过驱动滑轮和从动滑轮与运动平台上的钢丝绳预紧器连接，其中从动滑轮通过从动滑轮底座与地面固定，钢丝绳预紧器一端具有螺纹，通过螺纹与钢丝绳固定器连接，钢丝绳固定器通过螺栓与伺服运动平台固定，伺服运动平台是一块长方形结构平台，平台四个直角处安装有两组互相平行的滑动轴承，滑动轴承与导轨配合安装并可以在导轨上自由滑动，导轨与导轨枕木固定，保证两条导轨互相平行，不干扰运动平台的正常运动，导轨枕木通过地脚螺栓与地面固定，在导轨的两端和中间分别安装了一组限位装置，总计三组限位装置，在运动平台位置初始化时可以用来标定运动平台的初始位置，提高运动平台的位置精度，在限位装置上装有缓冲橡胶，缓冲橡胶可以在运动平台初始化时缓冲运动平台的撞击，保护限位装置和运动平台，运动平台上一固定平台用来固定交通标志与标准模型。
其中，伺服运动平台采用伺服电机驱动，伺服电机通过减速机与滑轮连接。
其中，伺服运动平台通过钢丝绳与滑轮组连接，伺服电机通过转动滑轮组来驱动运动平台。
其中，伺服运动平台通过滑动轴承与导轨连接，滑轮组拖动伺服运动平台上的钢丝绳，驱动伺服运动平台在导轨上做伺服运动，且可以精确定位在导轨上的位置。
本发明另外提供一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试方法，该测试方法利用上述的移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置，该方法的步骤如下：
步骤(1)、移动机器人静止固定在模拟场景中，分别对三组伺服运动平台上的交通信号标志或者人偶模型进行感知识别，记录机器人感知识别到的交通信号标志或人偶模型信息与实际信息进行对比；
步骤(2)、调整移动机器人的静止位置，重复进行感知测试；
步骤(3)、更换伺服平台上的交通信号标志，重复进行感知测试；
步骤(4)、更换伺服平台上的人偶模型，重复进行感知测试；
步骤(5)、更换伺服平台的运动状态，重复进行感知测试；
步骤(6)、将所有测试结果保存，并与实际信息进行对比，来进行评分。
其中，测试移动机器人目标物感知能力的目标物可以模拟移动机器人在工作环境中的移动目标物和静止目标物。
其中，测试移动机器人目标物感知能力的目标物采用标准交通标志和标准模型来模拟工作环境中的典型目标物。
其中，测试移动机器人目标物感知能力的目标物固定在伺服运功平台上，可以通过调整伺服运动平台的位置和伺服运动平台的运动速度来改变目标物的位置和运动状态来模拟移动机器人工作环境中的目标物位置和状态。
其中，测试移动机器人目标物感知能力的伺服运动平台能够做变速运动和匀速运动，模拟移动机器人工作环境中的快速运动的目标物。
本发明的原理在于：
一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置，该测试装置是由三组伺服运功平台、标准交通标志和标准模型组成，其中伺服运动装置包括：交通标志与标准模型固定平台、运动平台、导轨枕木、导轨、轴承座、驱动滑轮、驱动轴、联轴器、电机底座、伺服电机、电机机架、减速器、限位装置、缓冲橡胶、交通信号标志物固定底座、钢丝绳固定器、钢丝绳预紧器、钢丝绳、从动滑轮、从动滑轮底座、滑动轴承。
根据一实施例，本发明提供一种测试方法，适用于移动机器人在静止状态下测试三个方向上静止目标物。该方法包括：将移动机器人放置于测试场景标记位置，被测目标物分别置于三组伺服运动平台上，移动机器人对目标物进行一次感知测试，将感知测试结果与被测目标物对比，并按评分标准进行评分。调整目标物在伺服运动平台上的位置，重复测试。对比测试结果，并对测试结果进行评判。
对一组被测目标物完成全部测试后，更换另一组被测目标物，被测目标物包括标准交通标志和标准模型，重复进行静止目标物感知测试。
根据另一实例，本发明提供一种测试方法，适用于移动机器人在静止状态下测试三个方向上的匀速运动目标物。该方法包括：将移动机器人放置于测试场景标记位置，被测目标物分别置于三组伺服运动平台上，设定伺服运动平台的匀速运动状态，运动速度1m/s，移动机器人对目标物进行一次感知测试，将感知测试结果与被测目标物对比，并按评分标准进行评分。改变伺服运动平台的运动速度为2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，10m/s，20m/s，25m/s分别进行一组被测目标物感知测试。对比测试结果，并对测试结果进行评判。
对一组被测目标物完成全部测试后，更换另一组被测目标物，被测目标物包括标准交通标志和标准模型，重复进行匀速运动状态目标物感知测试。
根据另一实例，本发明提供一种测试方法，适用于移动机器人在静止状态下测试三个方向上的变速运动目标物。该方法包括：将移动机器人放置于测试场景标记位置，被测目标物分别置于三组伺服运动平台上，设定伺服运动平台的变速运动状态，运动加速度1m/s2，移动机器人对目标物进行一次感知测试，将感知测试结果与被测目标物对比，并按评分标准进行评分。改变伺服运动平台的运动速度为2m/s2，3m/s2，4m/s2，5m/s2，10m/s2，20m/s2，25m/s2分别进行一组被测目标物感知测试。对比测试结果，并对测试结果进行评判。
对一组被测目标物完成全部测试后，更换另一组被测目标物，被测目标物包括标准交通标志和标准模型，重复进行变速运动状态目标物感知测试。
移动机器人每完成一组感知测试环节都会得到评分，不同的移动机器人间的相互对比以评分多少为比较依据，总分越多，机器人的感知能力越好。同时通过每个测试环境下的总分多少对比可以清楚反应该移动机器人的感知能力薄弱项，如甲机器人在静止目标物测试环节总分比乙机器人在静止目标物测试环境的总分多，则说明甲机器人的静止目标物感知测试能力强于乙。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、目前目标物感知能力评估还处在特定场景中的功能实现阶段，缺乏统一的检测平台和评价体系，本发明提供了一个标准的检测平台和建立了一个标准的测试体系。
(2)、本发明采用伺服运动平台，由伺服电机驱动，可以高精度的控制导轨的位置和速度，同时具备良好的重复性。
(3)、本发明的伺服运动平台可以根据实际需求灵活地更改且采用可以更换目标物的固定平台。
附图说明
图1测试场景中三组伺服运动平台摆放位置示意图；
图2伺服运动平台俯视图；
图3伺服运动平台主视图；
图4伺服运动平台右视图；
图5部分标准交通标志牌图例；
图6标准模型三视图(其中，图(a)为俯视图，图(b)为正视图，图(c)为侧视图)；
图中，1为交通标志与标准模型固定平台、2为运动平台、3为导轨枕木、4为导轨、5为轴承座、6为驱动滑轮、7为驱动轴、8为联轴器、9为电机底座、10为伺服电机、11为电机机架、12为减速器、13为限位装置、14为缓冲橡胶、15为交通信号标志物固定底座、16为钢丝绳固定器、17为钢丝绳预紧器、18为钢丝绳、19为从动滑轮、20为从动滑轮底座、21为滑动轴承。
具体实施方式
为了能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，本发明是一种移动机器人感知能力测试装置以及测试方法，测试装置包括标准交通标志，标准模型，伺服运动平台组成。伺服运动平台包括：交通标志与标准模型固定平台1、运动平台2、导轨枕木3、导轨4、轴承座5、驱动滑轮6、驱动轴7、联轴器8、电机底座9、伺服电机10、电机机架11、减速器12、限位装置13、缓冲橡胶14、交通标志物固定底座15、钢丝绳固定器16、钢丝绳预紧器17、钢丝绳18、从动滑轮19、从动滑轮底座20、滑动轴承21。部分标准交通标志如图5所示，标准人偶模型如图6所示。
本发明的测试方法需要配合本发明的测试装置使用，测试装置中伺服运动平台位置如图1所示位置关系安装，其中坐标中心原点位置为机器人测试的初始位置。三条伺服运动平台呈如图1所示的位置关系摆放，伺服运动平台的空间尺寸可以根据实际需要更改，例如需要测试大型无人车平台的感知能力时可以搭建尺寸长度适合无人车平台的大型测试场景；需要测试室内小型移动机器人感知能力时可以搭建尺寸长度适合小型机器人平台的小型测试场景；伺服运动平台的组成方式如图2～图4所示，伺服运动平台由伺服电机10驱动，伺服电机10设置在电机机架11上，电机机架11与地面固定。伺服电机10输出轴与减速器12输入端轴连接，减速器12输出轴通过联轴器8与驱动滑轮6的驱动轴7连接，联轴器8采用柔性联轴器，可以降低安装同轴度要求。驱动轴7固定在与轴承座5上，轴承座5与地面固定，当伺服电机转动时驱动减速器，减速器驱动联轴器与驱动滑轮。钢丝绳18绕过驱动滑轮6和从动滑轮19与运动平台2上的钢丝绳预紧器17连接，其中从动滑轮19通过从动滑轮底座20与地面固定，钢丝绳预紧器17一端具有螺纹，通过螺纹与钢丝绳固定器16连接，钢丝绳固定器16通过螺栓与伺服运动平台2固定。伺服运动平台2是一块长方形结构平台，平台四个直角处安装有两组互相平行的滑动轴承21，滑动轴承21与导轨4配合安装并可以在导轨上自由滑动，导轨4与导轨枕木3固定，保证两条导轨互相平行，不干扰运动平台的正常运动。导轨枕木3通过地脚螺栓与地面固定，导轨枕木3可以使用铝合金管材或者木料，可以降低运动平台的安装难度，减少地面不平整对导轨安装精度的影响。为了保证伺服运动平台的运动精度，在导轨的两端和中间分别安装了一组限位装置13，总计三组限位装置。在运动平台位置初始化时可以用来标定运动平台的初始位置，提高运动平台的位置精度。在限位装置13上装有缓冲橡胶14，缓冲橡胶可以在运动平台初始化时缓冲运动平台的撞击，保护限位装置13和运动平台2。运动平台2上固定有交通标志与标准人偶模型固定平台1，固定平台1由四组型材构成，如图2所示位置关系安装在运动平台上，固定平台1可以与交通标志物固定底座15通过螺栓连接，交通信号标志物固定底座15如图4所示，交通信号标志物固定底座上端是圆形状面板，可以在面板上贴上如图5所示的标准交通标志，用于测试使用，其中图5仅表示了部分标准交通标志，为了满足各种测试需要可以更换不同的标志；交通信号标志与标准人偶模型固定平台1或者与标准人偶模型通过螺栓连接，标准人偶模型如图6(其中，图(a)为俯视图，图(b)为正视图，图(c)为侧视图)所示，标准人偶模型外观没有特殊要求，任何满足标准人偶模型的尺寸大小的人偶模型均可用来进行测试，在本发明的测试方法中共采用了标准成年男子人偶模型、标准成年女子人偶模型、标准中少年人偶模型。在本发明的测试装置中的交通信号标志与标准人偶模型固定平台1具有很强的通用安装适配性，可以适配安装多种规格大小的被测标志对象，如果测试对象尺寸规格不同，可以直接调整固定平台1的安装尺寸，不需要对被测对象进行尺寸更改。
在完成测试装置的设定后，即可采用发明内容中所述的测试方法进行机器人感知能力测试。在所有的测试项目中，需要遵循控制变量测试方法，在保证单一变量变化条件下进行测试，保证测试结果的科学性和有效性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种移动机器人目标物感知能力室内模拟测试方法，该测试方法利用的移动机器人目标物感知能力室内模拟测试装置，可用于对不同移动机器人的目标物感知能力进行测试，测试装置由三组伺服运动平台、标准交通标志、标准模型组成，可以模拟机器人在工作环境中传感器感知到的目标物和交通标志；
所述伺服运动平台由以下部件组成，交通标志与标准模型固定平台(1)、运动平台(2)、导轨枕木(3)、导轨(4)、轴承座(5)、驱动滑轮(6)、驱动轴(7)、联轴器(8)、电机底座(9)、伺服电机(10)、电机机架(11)、减速器(12)、限位装置(13)、缓冲橡胶(14)、交通标志物固定底座(15)、钢丝绳固定器(16)、钢丝绳预紧器(17)、钢丝绳(18)、从动滑轮(19)、从动滑轮底座(20)、滑动轴承(21)组成；
伺服运动平台由伺服电机(10)驱动，伺服电机(10)设置在电机机架(11)上，电机机架(11)与地面固定，伺服电机(10)输出轴与减速器(12)输入端轴连接，减速器(12)输出轴通过联轴器(8)与驱动滑轮(6)的驱动轴(7)连接，联轴器(8)采用柔性联轴器，驱动轴(7)固定在与轴承座(5)上，轴承座(5)与地面固定，当伺服电机转动时驱动减速器，减速器驱动联轴器与驱动滑轮，钢丝绳(18)绕过驱动滑轮(6)和从动滑轮(19)与运动平台(2)上的钢丝绳预紧器(17)连接，其中从动滑轮(19)通过从动滑轮底座(20)与地面固定，钢丝绳预紧器(17)一端具有螺纹，通过螺纹与钢丝绳固定器(16)连接，钢丝绳固定器(16)通过螺栓与伺服运动平台(2)固定，伺服运动平台(2)是一块长方形结构平台，平台四个直角处安装有两组互相平行的滑动轴承(21)，滑动轴承(21)与导轨(4)配合安装并可以在导轨上自由滑动，导轨(4)与导轨枕木(3)固定，保证两条导轨互相平行，不干扰运动平台的正常运动，导轨枕木(3)通过地脚螺栓与地面固定，在导轨的两端和中间分别安装了一组限位装置(13)，总计三组限位装置(13)，在运动平台位置初始化时可以用来标定运动平台的初始位置，提高运动平台的位置精度，在限位装置(13)上装有缓冲橡胶(14)，缓冲橡胶可以在运动平台初始化时缓冲运动平台的撞击，保护限位装置(13)和运动平台(2)，运动平台(2)上一固定平台用来固定交通标志与标准模型，伺服电机通过减速机与滑轮连接，伺服运动平台通过钢丝绳与滑轮组连接，伺服电机通过转动滑轮组来驱动运动平台，伺服运动平台通过滑动轴承与导轨连接，滑轮组拖动伺服运动平台上的钢丝绳，驱动伺服运动平台在导轨上做伺服运动，且可以精确定位在导轨上的位置，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)、移动机器人静止固定在模拟场景中，分别对三组伺服运动平台上的交通信号标志或者人偶模型进行感知识别，记录机器人感知识别到的交通信号标志或人偶模型信息与实际信息进行对比；
步骤(2)、调整移动机器人的静止位置，重复进行感知测试；
步骤(3)、更换伺服平台上的交通信号标志，重复进行感知测试；
步骤(4)、更换伺服平台上的人偶模型，重复进行感知测试；
步骤(5)、更换伺服平台的运动状态，重复进行感知测试；
步骤(6)、将所有测试结果保存，并与实际信息进行对比，来进行评分；
测试移动机器人目标物感知能力的目标物可以模拟移动机器人在工作环境中的移动目标物和静止目标物；
测试移动机器人目标物感知能力的目标物采用标准交通标志和标准模型来模拟工作环境中的典型目标物；
测试移动机器人目标物感知能力的目标物固定在伺服运功平台上，可以通过调整伺服运动平台的位置和伺服运动平台的运动速度来改变目标物的位置和运动状态来模拟移动机器人工作环境中的目标物位置和状态；
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